ZASTOSOWANIE METOD MODELOWANIA, SYMULACJI KOMPUTEROWEJ I WALIDACJI W PROCESIE WDRAśANIA DO PRODUKCJI NOWYCH MASZYN ROLNICZYCH

Transkrypt

1 InŜynieria Rolnicza 2/2006 Tadeusz Pawłowski, Jan Szczepaniak, Kazimierz Mielec, Ryszard Grzechowiak Przemysłowy Instytut Maszyn Rolniczych, Poznań ZASTOSOWANIE METOD MODELOWANIA, SYMULACJI KOMPUTEROWEJ I WALIDACJI W PROCESIE WDRAśANIA DO PRODUKCJI NOWYCH MASZYN ROLNICZYCH Streszczenie W pracy przedstawiono zakres i moŝliwości wykorzystania nowoczesnych systemów modelowania i symulacji w procesie projektowania maszyn rolniczych. UmoŜliwiają one przeprowadzanie efektywnych symulacji i analizę zachowań maszyny przed powstaniem prototypu. Słowa kluczowe: maszyny rolnicze, model, projektowanie, symulacje, badania Wprowadzenie Obserwujemy obecnie istotne zmiany w metodach prac konstrukcyjno-technologicznych dokonujące się wskutek rozwoju komputerowych systemów wspomagania projektowania i wytwarzania. Przeprowadzanie wiarygodnych symulacji komputerowych zachowania maszyny juŝ na wstępnych etapach projektowania pozwala zaoszczędzić wiele czasu oraz pieniędzy. Próby wprowadzenia nowoczesnych, zinformatyzowanych narzędzi napotykają jednak często na trudne do pokonania bariery. Są one natury materialnej, organizacyjnej i personalnej. Materialnej, bo sprzęt i oprogramowanie, pozwalające na rzeczywiście efektywne polepszenie wydajności pracy, są znacznie droŝsze od komputerów i oprogramowania, z którymi na co dzień ma się do czynienia. Zakup pełnych wersji programów i rozbudowanych konfiguracji komputerowych przekracza czasami moŝliwości przedsiębiorstw, szczególnie tych małych. Powstaje wobec tego problem wyboru takiego systemu lub jego modułów, które będą najlepiej i jednocześnie moŝliwie najtaniej realizować rzeczywiste potrzeby przedsiębiorstwa. To samo dotyczy oczywiście sprzętu komputerowego. Trzeba tutaj zauwaŝyć, Ŝe nie popłaca nadmierna, krótkowzroczna oszczędność. Nieprzemyślana rezygnacja z_ zakupu drobnego niekiedy modułu oprogramowania lub elementu konfiguracji sprzętowej moŝe spowodować ich nieefektywne działanie, a_przez to znaczne straty finansowe. ($

2 G! CTjÄbjf^\þ =! FmVmXcTa\T^þ E! :emxv[bj\t^ Niektóre zagadnienia komputeryzacji prac projektowych Konkurencja panująca na współczesnym rynku powoduje, Ŝe trudno jest osiągać na nim trwały sukces. Dobrze rozwinięte słuŝby marketingowe, zaplecze badawcze oraz szybka wymiana informacji powodują, Ŝe chwilowa przewaga związana ze specyfiką rynku, satysfakcją uŝytkowników, kosztem produktu lub dowolną inną wybraną cechą jest krótkotrwała. Jedynym istotnym czynnikiem róŝnicującym przedsiębiorstwa jest czas wprowadzenia produktu na rynek. Jest to czas reakcji przedsiębiorstwa na nowe rozwiązania techniczne, na chwilową koniunkturę. To przedsiębiorstwo, które pierwsze odpowiada nowemu wyzwaniu zagarnia większość zysku, wydłuŝa serie produkcyjne, a zdobywając nowe środki moŝe być jeszcze bardziej aktywne. Do środków, które mogą przyspieszyć proces projektowania i uruchamiania produkcji naleŝą niewątpliwie komputerowe symulacje zachowań projektowanych maszyn i urządzeń oraz oprogramowanie CAD. Niestety wdraŝanie umoŝliwiającego takie symulacje oprogramowania jest rozwiązaniem kosztownym, wymagającym zarówno odpowiednio przeszkolonej kadry, jak i kosztownego sprzętu oraz oprogramowania, a takŝe spełnienia wielu wymagań organizacyjnych. Nie zawsze zatem moŝna pozwolić sobie na pełną, kompleksową komputeryzację procesu projektowania. Skutecznym, choć w mniejszym stopniu, narzędziem poprawienia jakości i skrócenia czasu projektowania mogą być takŝe odpowiednio wybrane pojedyncze moduły lub programy. Właściwa implementacja sprzętu i oprogramowania, nawet tylko dla niektórych etapów projektowania, pozwoli przedsiębiorstwu oczekiwać wymiernych korzyści, takich jak: skrócenie czasu projektowania, modyfikowania, a w konsekwencji skrócenie czasu wprowadzenia produktu na rynek, dostosowanie produktu do specyficznych wymogów uŝytkownika, umoŝliwienie poprawy jakości, maksymalizowanie potencjalnego zysku i wydłuŝanie serii produkcyjnej. Podstawowy schemat prac projektowych z wykorzystaniem komputerowych metod symulacji Na rys. 1 przedstawiono podstawowe etapy procesu projektowania i wdraŝania do produkcji nowych maszyn rolniczych. W prezentowanym artykule poświęcamy najwięcej uwagi etapom modelowania i symulacji oraz ocenie wyników symulacji. (%

3 MTfgbfbjTa\X `XgbW `bwx_bjta\t!!! Głównymi celami stosowania modelowania i symulacji są z jednej strony uzyskanie lepszej jakości zastosowanych rozwiązań, a z drugiej usunięcie duŝej części usterek i błędów konstrukcyjnych (w przypadku idealnym wszystkich) juŝ na tym etapie. Innymi słowy, chodzi o to, by problemy konstrukcyjne w moŝliwie największym zakresie rozwiązywać w pętli zaznaczonej na rys. 1 grubszymi strzałkami. ZałoŜenia projektowe Modelowanie i symulacja Ocena wyników symulacji Wykonanie dokumentacji i budowa prototypu Badania eksperymentalne Produkcja seryjna Rys. 1. Fig. 1. Główne etapy prac projektowych z wykorzystaniem komputerowych metod symulacji Main stages of design work with using computer simulation methods Modelowanie i symulacja Do przeprowadzania symulacji numerycznych zachowania się projektowanych maszyn i urządzeń niezbędny jest odpowiedni model matematyczny. MoŜe on być zbudowany przez projektantów specjalnie do potrzeb aktualnie realizowanego projektu, ale najczęściej do przeprowadzania symulacji wykorzystuje się modele przygotowane za pomocą specjalnych programów. Na podstawie załoŝeń projektowych tworzony jest wstępny model geometryczny. Na jego podstawie, po uzupełnieniu o warunki brzegowe oraz dane o obciąŝeniach, system komputerowy automatycznie tworzy model obliczeniowy. Szczegółowość modelu geometrycznego zaleŝy od stopnia zaawansowania projektu oraz od specyfiki wykorzystywanego systemu komputerowego oraz od celu symulacji. (&

4 G! CTjÄbjf^\þ =! FmVmXcTa\T^þ E! :emxv[bj\t^ Jako pierwsze przeprowadzane są zwykle symulacje zachowań kinematycznych badanej konstrukcji. UmoŜliwiają one zebranie informacji dotyczących ruchów analizowanego urządzenia, stateczności w czasie pracy oraz sił działających w węzłach konstrukcji. Wykonywane są takŝe obliczenia optymalizacyjne umoŝliwiające np. zmniejszenie sił występujących podczas pracy maszyny. Istotną cechą modeli geometrycznych wykorzystywanych do zachowań kinematycznych jest to, Ŝe mogą być znacznie uproszczone. Elementy konstrukcyjne, które nie wywierają istotnego wpływu na wyniki przeprowadzonych symulacji mogą zostać w modelu pominięte. Jest to waŝne, gdyŝ symulacje te są przeprowadzane na wstępnym etapie projektowania, gdy wiele szczegółów konstrukcji jest jeszcze nie znanych. Przykładowo model geometryczny wykorzystywany w systemie ADAMS moŝe zawierać stosunkowo mało szczegółów (rys. 2), gdyŝ uproszczenia geometrii wpływają na wyniki obliczeń symulacyjnych w tym systemie jedynie w niewielkim stopniu. Istotniejsze są połoŝenia markerów, więzów i innych elementów modelu. Rys. 2. Fig. 2. Fazy ruchu modelu ładowacza w czasie symulacji zachowań kinematycznych (system ADAMS)[Szczepaniak 2003] The motion phases of front loader during front loader kinematic behaviour simulation (ADAMS system)[szczepaniak 2003] ('

5 MTfgbfbjTa\X `XgbW `bwx_bjta\t!!! Symulacje zachowań kinematycznych umoŝliwiają zebranie informacji dotyczących ruchów analizowanego urządzenia (rys. 3), stateczności w czasie pracy (rys. 4) oraz sił działających w węzłach konstrukcji. Wykonywane są takŝe obliczenia optymalizacyjne umoŝliwiające np. zmniejszenie sił występujących podczas pracy maszyny. UŜytkowany w PIMR system ADAMS umoŝliwia definiowanie własnych funkcji kryterialnych oraz swobodny wybór zmiennych decyzyjnych Wyniki uzyskane dzięki symulacji zachowań kinematycznych są wykorzystywane do sprawdzania i ewentualnej modyfikacji konstrukcji, a takŝe (szczególnie wartości sił) podczas obliczeń wytrzymałościowych. Rys. 3. Fig. 3. Wykres prędkości wysuwu oraz wartości wysuwu siłowników ładowacza czołowego podczas symulacji) [Szczepaniak 2003] Diagram of front loader hydraulic servo velocity and moving during simulation [Szczepaniak 2003] ((

6 G! CTjÄbjf^\þ =! FmVmXcTa\T^þ E! :emxv[bj\t^ Rys. 4. Fig. 4. Naciski na koła w czasie pionowych ruchów przenośnika taśmowego kombajnu do przetwarzania materiałów organicznych [Szczepaniak, Pawłowski, Mac, Grzechowiak 2002] Manure processing combine wheel load during band conveyor moving [Szczepaniak, Pawłowski, Mac, Grzechowiak 2002] Po przeanalizowaniu kinematyki i wprowadzeniu ewentualnych zmian konstrukcyjnych, oraz po uszczegółowieniu projektu, przeprowadzane są obliczenia wytrzymałościowe. Dane o obciąŝeniach uzyskuje się na podstawie wiedzy projektantów oraz z opisanej powyŝej analizy kinematycznej. Do obliczeń wykorzystywana jest zwykle metoda elementów skończonych (MES). Modele obliczeniowe stosowane w metodzie elementów skończonych pozwalają analizować przemieszczenia, napręŝenia i siły zarówno w ujęciu globalnym jak i lokalnym z uwzględnieniem sztywności elementów konstrukcji. Jakość i dokładność otrzymywanych wyników MES zaleŝy w znacznym stopniu od sposobu odwzorowania warunków rzeczywistych pracy maszyny. Zatem wymaga stosunkowo duŝej dokładności w przygotowaniu modelu oraz właściwej definicji obciąŝeń i więzów. Szczególnie waŝne i nastręczające wiele problemów jest odwzorowanie naturalnej sztywności złoŝeń konstrukcji. ()

7 MTfgbfbjTa\X `XgbW `bwx_bjta\t!!!. Rys. 5. Fig. 5. Model MES ramy wału uprawowego o szerokości 12 m (fragment) z zaznaczonymi wartościami napręŝeń zredukowanych (system I-Deas) [Szczepaniak J. i in. 2004] FEM model of agricultural rollers of 12 m width (fragment) with reduced stress map [Szczepaniak J. i in. 2004] TakŜe w systemach MES istnieje moŝliwość przeprowadzania optymalizacji konstrukcji. Sposób jej przeprowadzania i moŝliwości zaleŝą od wykorzystywanego oprogramowania. Funkcje kryterialne mogą być definiowane przez uŝytkownika (Nastran) lub wybierane z zestawu (I-Deas, Cosmos). Podobne róŝnice występują w procesie doboru zmiennych decyzyjnych i definiowaniu ograniczeń. MoŜliwe jest równieŝ zbadanie wraŝliwości konstrukcji na zmianę wybranych parametrów fizycznych typu grubość lub wymiarów charakterystycznych i na ich podstawie dokonanie zmian konstrukcyjnych w projekcie maszyny. Obliczenia wytrzymałościowe dostarczają dokładnych informacji dotyczących wytęŝenia analizowanej konstrukcji w róŝnych warunkach pracy (napręŝenia, przemieszczenia siły reakcji) oraz częstości i postacie własne. UmoŜliwiają lokalizację miejsc naraŝonych na uszkodzenia oraz wprowadzenie do projektu niezbędnych zmian. (*

8 G! CTjÄbjf^\þ =! FmVmXcTa\T^þ E! :emxv[bj\t^ Badania eksperymentalne Po zakończeniu obliczeń symulacyjnych oraz zbudowaniu prototypów przeprowadzane są dodatkowe badania laboratoryjne i polowe w celu potwierdzenia poprawności przyjętych rozwiązań konstrukcyjnych. Wprawdzie właściwe wykorzystanie metod zaprezentowanych powyŝej sprawia, Ŝe prototyp jest skonstruowany poprawnie, ale dotyczy to tylko własności objętych obliczeniami symulacyjnymi. Nie są nimi objęte zwykle funkcje obróbki masy roślinnej, np. zbiór roślin, ich separacja (np. ziemniaków w kombajnach ziemniaczanych). Do badań wykorzystywana jest nowoczesna wielokanałowa aparatura umoŝliwiająca zebranie duŝej liczby danych z czujników rozmieszczonych w wielu punktach badanej maszyny. Najczęściej wykorzystywane są czujniki do pomiaru napręŝeń oraz przyspieszeń. Wykonywane są takŝe badania momentów obrotowych, ciśnienia w instalacji hydraulicznej itp. Uzyskiwane wyniki przetwarzane są do postaci wygodnej dla uŝytkownika np. za pomocą komputerowych, działających w środowisku Matlab. Uwagi końcowe Z doświadczeń z symulacji modeli maszyn rolniczych oraz przeprowadzanych następnie badań eksperymentalnych przeprowadzanych w PIMR wynika, Ŝe otrzymane obu metodami wyniki w duŝym stopniu pokrywają się ze sobą, co wskazuje na przydatność i opłacalność stosowania metod symulacji numerycznej w procesie projektowania maszyn rolniczych. Inwestycje poniesione na etapie projektu szybko zwracają się dzięki uniknięciu wielokrotnego nieraz przekonstruowania prototypu i uzyskiwania produktu o wysokiej jakości i trwałości. Bibliografia Szczepaniak J. i in Typoszereg wałów uprawowych o szerokościach roboczych 9, 12 i 15 metrów. Zad. 2, 3, 4, 7 i 8. PIMR. Poznań. Szczepaniak J. i in Ładowacz chwytakowy zawieszany na ciągniku rolniczym. Zad. 1. PIMR. Poznań. Szczepaniak J., Pawłowski T., Mac J., Grzechowiak R Kombajn do przetwarzania materiału organicznego. Zad. 1. PIMR. Poznań. (+

9 MTfgbfbjTa\X `XgbW `bwx_bjta\t!!! APPLICATION OF MODELING, COMPUTER SIMULATION AND VALIDATION METHOD IN THE NEW AGRICULTURAL MACHINE IMPLEMENTATION Summary The scope and abilities of modern modeling and simulation systems were presented in the paper. Its enable carrying out efficiently simulation and analysis of machine behavior before prototype is made. Key words: agricultural machine, model, designing, simulation, testing (,